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1、基于现代控制理论的闭环燃烧优化,杭州华电动力中心,目录,1.项目实施的意义 2.国内外技术及其应用情况 3.望亭电厂300MW机组锅炉概述 4.项目目的及预期目标 5.项目实施条件 6. 建模原理及其工作流程 7.项目实施步骤 8.经济效益分析,1.意义提高效率，降低排放,锅炉效率是影响机组效率的主要因素； 燃烧的好坏决定了锅炉效率的高低； 锅炉燃烧优化闭环控制技术能够维持良好的燃烧状态，保持较高的锅炉效率，有效地提高发电机组运行效率，降低发电成本； 并能够降低锅炉NOx的排放。,1.意义,现行的锅炉燃烧优化技术可分为三类： 1.在线检测锅炉燃烧的重要参数，指导运行人员调节锅炉燃烧； 2.在D
2、CS基础上建立锅炉运行的监督控制系统，通过采用先进的控制逻辑，控制算法或人工智能技术，实现锅炉的燃烧优化； 3.在设备层面上，通过对燃烧器、受热面等的改造，实现锅炉的燃烧优化调整。 第二类技术不需要对锅炉设备进行任何改造，能够充分利用锅炉的运行数据，在DCS控制的基础上，通过先进建模、优化和控制技术的应用，能直接提高锅炉效率，降低NOx排放，投资少、风险小，效果明显。,2.国内外技术及应用情况,国外的技术及应用情况： 1. Ultramax公司的燃烧优化技术 Ultramax燃烧优化系统是将一系列代表锅炉燃烧工况的参数，比如烟气氧量、排烟温度、烟气排放物等，作为系统的输入数据，当系统取得这些样
3、本数据后，建立锅炉燃烧特性模型，并经过软件分析，给运行人员一个优化燃烧的操作指导，运行人员根据这些操作指导进行手动操作，或将操作指导纳入到自动控制系统中进行优化调整。该系统的工作原理如图1所示。,图1. Ultramax系统工作原理图,2.国内外技术及应用情况,Ultramax公司的燃烧优化技术应用 1995年，Ultramax系统就在美国德克萨斯州弗农市的奥克拉联合发电厂666MW的一号机组上进行了开环测试，测试结果表明：最多能减少18的NOx排放，同时飞灰含碳量降低85。目前全世界已经有30多个电厂运用了此系统，其中包括我国邹县电厂 。,2.国内外技术及应用情况,2.PEGASUS公司的燃
4、烧优化技术 2.1 NeuSIGHT系统 NeuSIGHT系统利用DCS本身具有的数据库的数据作为数据分析的基础，经过神经网络模型在线分析，迅速得出运行参数的最优值，然后输出到DCS，DCS系统通过控制偏移量，进而实现NeuSIGHT对锅炉燃烧的优化控制。但是，这种燃烧优化控制技术并没有考虑机组运行的动态特性和过程，所以这种优化也只是稳态优化。该系统的工作原理如图2所示。,图2. NEUSIGHT系统工作原理图,2.国内外技术及应用情况,NeuSIGHT系统是基于神经网络模型设计的，而神经网络模型也是一个“黑箱”模型，因此一般建立神经网络模型前要经过24周的锅炉变参数测试，在测试数据的基础上建
5、立原始模型。由于煤种、积灰、结渣等因素的变化，锅炉燃烧情况要随之改变，这就造成原始模型很快就和实际情况产生偏离，因此在优化过程中NeuSIGHT系统使用了2套神经网络系统，其中1套系统的模型进行过程优化，同时另1套根据DCS的历史数据和测试数据建立新模型，一旦新模型建立就能通过模型切换完成模型的在线更新，由于神经网络训练的时间较长，所以模型更新的周期比较长。,2.国内外技术及应用情况,NeuSIGHT公司的燃烧优化技术应用 NeuSIGHT系统在美国市场的占有率为40%。对于没有排放控制的电厂， Pegasus公司预计应用NeuSIGHT系统可降低NOx排放达20%60%（一般为25%35%）
6、。如果电厂已经安装了低NOx燃烧器，使用NeuSIGHT系统可再降低NOx排放10%40%。NeuSIGHT系统可降低煤耗0.5%5%，这相当于减少了相同的CO2和SO2的排放。,2.国内外技术及应用情况,2.2 PowerPerfecter系统 PowerPerfecter系统是美国Pegasus公司另一个锅炉运行优化控制软件，国外也称它为DeltaE3系统。它基于与NeuSIGHT系统类似的神经网络技术，并增加了模型预测控制(MPC)技术，能通过建立多目标的动态优化控制器，动态调整DCS设定参数与偏置，实现锅炉燃烧优化动态闭环控制。该系统的工作原理如图3所示 。,图2. PowerPerf
7、ecter系统工作原理图,2.国内外技术及应用情况,PowerPerfecter系统应用 PowerPerfecter系统可以提升0.5%2.5的锅炉热效率，降低氮氧化物排放量10%30，降低飞灰含碳量7%9，系统还可以改善过热、再热蒸汽品质，改善燃烧均衡性等。该系统可广泛应用于各种装机容量和类型的燃煤锅炉的优化控制，目前该产品已应用于我国山东省的华电莱城电厂#1号锅炉和华能天津杨柳青电厂#5号锅炉（300MW机组）上，测试报告表明应用效果良好。,2.国内外技术及应用情况,3.霍尼韦尔先进电站优化与管控解决方案 原理：预测模型； 功能： 机、炉、全厂过程回路整体优化； 燃烧优化 低氮燃烧、更低
8、的点火损耗以及降低燃料消耗量； 降低温室气体的排放； 降低应力和磨损，增加电站的资产寿命； 有效管理预警和事故原因追溯； 专家知识指导运行；,2.国内外技术及应用情况,国内业绩：上海石化金山热电循环流化床机组应用先进控制技术； 效果：锅炉效率提高0.4，每年可节约标煤1700 t；蒸汽温度运行值提高3 摄氏度，每年可多发电378 万度，并使大气污染物排放指标严格控制在国家标准范围内。 获奖：亚洲电力银奖； 正在实施的项目：安徽凤台电厂600MW超临界机组 ；,2.国内外技术及应用情况,4.ABBOptimax Operations Solutions Combustion Management
9、（燃烧管理解决方案） 目标： 1.提高热利用率； 2.提高煤中碳利用率； 3.降低排放。 目前在国内尚无业绩，国外业绩较多。,2.国内外技术及应用情况,GEKN3系列锅炉燃烧优化解决方案 原理：多目标优化神经元网络技术 ； 目标：提高锅炉效率，降低与燃烧相关的排放； 1.降低燃料成本 效率提高0.5-1% 2.降低排放 氮氧化物排放最多可降低10% 3.提高可用率 设备可随时投入使用 4.知识保护 专业知识得以日积月累 5.易于使用及维护 自动模型组态功能可使得最初根据历史数 据建立的模型可以根据工况的变化进行自动调整以适合当前的优化与 控制需要。,2.国内外技术及应用情况,业绩：中电投上海电
10、力股份公司闵行发电厂125MW机组； 效果： 1. 锅炉效率最高可提高1.08%； 2. 送吸风电耗最多节省763.1 kW； 3. 氮氧化物排放总量最多减少326 mg/m3； 无正在实施的项目；,3.望亭电厂300MW机组锅炉概述,#11锅炉设备概况 望亭电厂300MW机组锅炉为上海锅炉厂引进美国燃烧工程公司（美国CE）技术设计制造的1025T/H亚临界压力一次再热控制循环锅炉采用单炉膛、四角切向燃烧方式、正压直吹式制粉系统、型露天布置全钢悬吊结构。锅炉采用正压直吹式制粉系统，配置五台HP-863型中速磨煤机，五台9224型电子重力式给煤机和二台密封风机。其中四台磨煤机就可以满足锅炉MCR
11、负荷，一台为备用，燃烧器采用四角布置，同心反切燃烧方式，每角燃烧器风箱中设有三层启动及助燃用的轻油枪和每层轻油枪设有高能电子发火器。,3.望亭电厂300MW机组锅炉概述,1.上网电价：0.4403元/千瓦时； 2.年发电量：机组容量为310MW， 2009年按利用小时4600小时安排计划发电量14.26亿千瓦时 ； 3.燃料价格：8月份标煤单价755.71元/吨，18月份标煤单价735.69元/吨。含税860.75元/吨 ； 4.发电成本：发电单位燃料成本240.46元/千千瓦时（含税为281.33元/千千瓦时），另加固定成本 ； 5.排污费用：按NOx排放量去年11号机组应交770万元，实交
12、折算378万元；NOx排放大概为464mg/Nm3； 6.供电煤耗：332g/kWh，发电煤耗：约为314 g/kWh； 7.锅炉效率：92.55%； 8.厂用电率：6.11%。,4.项目目的及预期目标,实施燃烧优化闭环控制系统项目目的： 1. 提高机组热效率，降低煤耗； 2. 降低NOx排放，减少对环境的污染和可能的排污费用； 3. 提高机组运行效率和可用率，减少非计划停炉等损失。,4.项目目的及预期目标,预期目标： 1.预计锅炉燃烧效率将提高0.8%，大约可以降低煤耗为2.6g/kW h，供电单位成本将下降2.238元/MWh； 2.NOx排放的降低约10%，可降低电厂的排污费用（根据国家
13、环保局2003年7月1日起执行的排污费征收标准管理办法，第31号令）；,5.项目实施必要条件,1.完善的DCS系统 实施燃烧优化闭环控制系统的电厂必须具备DCS系统，对于没有具备DCS系统的机组，项目在实施上复杂程度和困难度要大大增加。望亭电厂具备完善的DCS系统，现阶段DCS系统运行稳定可靠，为实现本项目提供了很好的运行平台。另外该DCS系统应该、可以提供相应的外部数据接口，外部系统能够采集DCS上的测点数据。该数据接口，需要联系DCS厂家联合开发完成。,5.项目实施必要条件,2.测点要求 2-1煤种分析数据：包括收到基灰份、低位发热量等，煤种分析数据由化学分析人员直接输入，通过数据接口发送
14、到闭环控制服务器。 2-2锅炉效率计算数据：环境温度、排烟氧量、飞灰含碳量、排烟温度、锅炉蒸发量是计算锅炉效率需要的，同时，锅炉蒸发量也用于判断运行工况是否稳定及处于何种运行工况； 2-3调节参数：相关风门开度参数是燃烧优化重要的可调参数，根据其变化调节锅炉运行以达优化目标值； 2-4监控参数：一次风压、对流过热器后烟温、再热气温、主汽温度、主汽压力、减温水总量和二次风总风量等参数是为机组安全运行设置的，作为优先级更高的重要监控参数。其中对流过热器后烟温和减温水总量用于监视锅炉的结焦情况；气温气压参数为防止机组超温超压。 2-5 NOx监测：根据闭环控制系统的目标要求，如果系统需要进行NOx的
15、闭环控制，则DCS中必须加设NOx参数的测点。,5.项目实施必要条件,3.设备要求 参与闭环控制的设备必须调节灵敏，工作稳定可靠，特别是一些调节风门，必须进行挡板的特性试验。,6.建模原理及其工作流程,目前主要的建模原理有两种： 一种是基于物料平衡的机理建模方式； 一种是基于运行数据间的相互影响关系的经验建模方式； 同时也存在结合以上两种建模方式的混合建模方式，混合建模方式在建模时既考虑了过程的机理关系，同时也考虑了实际过程中各变量之间的相互影响关系。,6.建模原理及其工作流程,1.机理建模方法： 根据已知的热动力学质量和能量平衡原理对锅炉的各个单元设备及整个锅炉系统进行建模，该模型基于设计参
16、数建立，通过当前的运行参数通过该模型可以计算出当前参数下实际运行性能参数与设计的期望性能参数之间的偏差，以及各种控制变量的期望输出和当前输出的偏差，通过调整各个控制变量的输出来尽量消除系统性能的偏差以达到对系统进行优化的目的。,6.建模原理及其工作流程,2.经验建模方法： 神经网络，又称为人工神经网络，是指为了模拟动物神经细胞群学习特性的结构和功能而构成的一种信息处理系统或计算机系统，由于拥有很强的适用于复杂环境和多目标控制要求的能力，并具有以任意精度逼近任意非线性连续函数的特性（自组织，自学习，自适应）而适用于复杂系统的控制应用领域。,(图为典型的多层神经网络结构),6.建模原理及其工作流程,神经网络是由数据驱动的，这意味着它们必须输入大量关于系统过去的特性的数据由其分析，称为“培训”。在“培训”期间，神经网络系统研究它收到的原始的随机性的数据，重建它们的数学关系，将之转换为连续性的有数学规律性的形式，结果是得到一个适合这些数据的模型（称为建模）。即，神经网络系统依据被控系统的输入输出数据对，通过学习得到
